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6.ダイバータ模擬実験装置における最近の研究成果

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小特集
周辺プラズマ研究の最近の進展
6.ダイバータ模擬実験装置における最近の研究成果
大野哲靖
(名古屋大学理工科学総合研究センター)
Recent Results in Divertor Plasma Simulators
OHNO Noriyasu
Center for Integrated Research in Science and Engineering, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan
(Received 9 December 2003)
Recent studies using the linear divertor simulators are reviewed. The experimental results regarding detached
recombining plasma, convective blobby plasma transport and plasma-material interaction related to tungsten and
carbon dusts are reported.
Keywords:
molecular activated recombination, divertor, detached plasma, blob, tungsten, dust
6.
1 はじめ
いう概念を実証した先駆的な実験が,米国 PPPL の直線型
装置 QED において Hsu らによって行われた点である
[13].
環状磁場閉じ込め核融合装置のスクレイプオフ層および
ダイバータ領域は,ダイバータ板に対して開いた磁力線構
PISCES-A[14‐16],PPPL の PDS
[17],核融合科学研究所
造を有しており,この領域のプラズマを直線磁場配位で模
の TPD-I[18,
19]において非接触プラズマに関する基礎研
擬するのがダイバータ模擬装置である.これまで,ダイ
究が引き続き行われた.その後トカマク装置,ダイバータ
バータ模擬装置はスクレイプオフ層およびダイバータ領域
模擬実験装置において同時期に,放射および三体再結合の
の様々な物理現象の解明に貢献してきた.現在稼働してい
観測が行われ,非接触プラズマ中の粒子損失過程としてプ
るダイバータ模擬装置としては,米国 UCSD の PISCES-
ラズマ体積再結合過程の重要性が認識された
[20].Fig. 1
A[1],PISCES-B[2],独国 IPP-Berlin の PSI-2
[3],露国ク
は,非接触ヘリウムプラズマからの発光スペクトルを示し
ルチャトフ研究所の LENTA[4],また英国 UMIST の ULS
ている.放射・三体再結合過程に伴う高励起準位からの発
[5]などがある.国内では,名古屋大学 NAGDIS-I
[6,
7],
NAGDIS-II
[8,
9],核融合科学研究所の TPD-II
[10],東京
大学の MAP-II
[11],東海大学の TPDSHEET-IV
[12]など
で各プラズマの特徴を生かした研究が行われている.
本章では,最近のダイバータ模擬実験装置での研究成果
の一端について紹介する.
6.
2 プラズマデタッチメントの物理
6.
2.
1 原子・分子過程
プラズマデタッチメントとは,プラズマ−ガス相互作用
によりダイバータ板への粒子・熱流が著しく減少する現象
であり,ダイバータ領域での粒子・熱流制御法の切り札と
考えられている.この時生成されるプラズマを非接触プラ
ズマと呼ぶ.非接触プラズマの研究は過去10年余りの間に
もっとも進展した研究分野の一つであり,それらの研究成
果をもとに国際熱核融合実験炉計画(ITER)の運転モード
としては,ELMy H モードと部分非接触プラズマの組み合
Fig. 1
わせが考えられている.これまで,非接触プラズマ研究に
ダイバータ模擬実験装置が果たした役割は極めて大きい.
特に強調しておきたいことは,プラズマデタッチメントと
Spectrum from a detached He plasma at the neutral pressure of 6.1 mTorr (solid line) and theoretically calculated
continuum spectrum (dashed line) at the electron temperature of 0.23 eV and density of 2.24 × 1019 m−3.
author’s e-mail: [email protected]
212
J. Plasma Fusion Res. Vol.80, No.3 (2004)2
12‐216
Special Topic Article
Fig. 2
Recent Results in Divertor Plasma Simulators
N. Ohno
Rate coefficients as a function of electron temperature.
光が明瞭に観測されている[8].
一方,励起状態にある水素分子が関与した新しい再結合
過程,いわゆる分子活性化再結合(Molecular Activated
Recombination : MAR)
の存在が理論的に予測された.この
Fig. 3
分子活性化再結合過程は以下の反応式で表される[21‐23].
""
(a):H2!
+e # H−+H
! H−+A+ # H+A
""
+A+ # (AH)++H
(b):H2!
Spatial profiles in the y(radial)-direction of the negative ion
density of nH−, the electron temperature Te, and the electron
density ne for three different hydrogen gas pressures PDiv
of 0.8 (solid circles), 3.5 (open circles) and 6 (solid triangles)
mTorr.
! (AH)++e # A+H
""は振動励起状態にある水素分子を表し,A+
ここで H2!
じく TPDSHEET-IV にて行われ,プラズマコラム中の高密
はプラズマ中の正イオンである.(a)では,まず振動励起状
度領域では,(b)の解離性再結合が主な過程であると報告
態の水素分子と電子との衝突により水素負イオンが形成さ
されている.
れ,この負イオンと正イオンにより荷電交換再結合過程が
分子活性化再結合は水素を主とした化学的連鎖反応がも
おこる.また(b)では,振動励起状態の水素分子とイオンと
たらす実効的な再結合過程である.最近炭化水素を媒体と
の衝突により生成された分子イオンの解離性再結合に基づ
した化学反応によって,さらにプラズマ再結合が促進され
く反応過程である.いずれの反応も振動励起状態の水素分
ることが理論的に指摘された[26].この実 験 的 検 証 が
子の存在が重要である.Fig. 2 は衝突輻射コードにより計
算された MAR の速度係数 !$!%を表している.三体再結合
MAP-II において行われた.ヘリウムプラズマに種々の炭
の速度係数(!"#%)に比べて,1 eV 以上で比較的高い速度
測が行われ,Fig. 4 に示すようにヘリウム(a)や水素(b)導入
係数を持つことがわかる.
に比べメタン(c)や特に高次の炭化水素(d)を導入した時に
化水素を導入した時のプラズマパラメータの計測と分光計
トカマク装置に先駆けて,分子活性化再結合の実験的検
プラズマ流に沿って離れた場所にあるプローブ間(上流の
証が NAGDIS-II において行われた
[24].高密度ヘリウムプ
P1と中流 P2あるいは下流 P3の間)におけるプラズマ粒
ラズマに水素ガスを添加することによって,沿磁力線方向
子束の減少が大きいことが示された[27,
28].
のプラズマ密度の減少とターゲット板への熱流の低下が観
以上のように分子活性化再結合の実験的検証が,ダイ
測された.また水素ガス添加時の分光計測結果と水素原子
バータ模擬実験装置においてなされている.しかし一方
・分子を考慮した衝突輻射モデルによる計算結果との詳細
で,トカマク装置における分子活性化再結合に関する研究
な比較が行われ,密度の減少が分子活性化再結合によると
はAlcator C-Mod
[29]における観測以外にはほとんどなく,
結論づけられた.さらに放射および三体再結合と分子活性
分子活性化再結合がトカマク装置の非接触プラズマ発生に
化再結合間の遷移についても詳細に調べられ,それぞれの
おいて重要な再結合過程であるかについては,まだよくわ
再結合過程が主な非接触プラズマ発生に関するプラズマパ
かっていない.今後の研究の進展が待たれる.
ラメータ領域が明らかになった
[8].分子活性化再結合の
6.
2.
2 非接触プラズマの動的挙動
素過程の研究としては,TPDSHEET-IV においては水素プ
ELMy H モード時の非接触プラズマの動的振る舞いの基
ラズマ中の負イオン密度分布とプラズマ分布計測が行われ
礎研究として,ダイバータ模擬実験装置において高周波加
ている.プラズマコラム周辺の低プラズマ密度領域では(a)
熱によりパルス的な熱流を生成し,非接触プラズマの動的
の荷電交換再結合が主な再結合過程であることが報告され
応答が調べられた[8,
30].パルス的な熱流による非接触状
ている(Fig. 3)
[25].さらに質量分析器を用いた計測が同
態の崩壊と復帰が観測された.パルス熱流に伴うダイバー
213
Journal of Plasma and Fusion Research Vol.80, No.3 March 2004
る.しかし,Blob の発生機構および伝搬過程は明確ではな
く,詳細な観測および解析が必要とされている.
これまでに,米国 UCSD の PISCES-A 装置においてイオ
ン飽和電流の揺動が確率密度分布を用いて解析され,その
揺動特性が他のトカマク装置などの核融合装置の周辺プラ
ズマ領域で観測される密度揺動と同じ統計的性質を有する
ことが示された[34,
35].また,真空容器壁への粒子束の8
割程度が,非拡散的な輸送により担われていると評価され
ている.また NAGDIS-II においては,ウェーブレット相関
法を用いて Blob の伝搬速度の評価が行われた
[36].さらに
高速度カメラを用いた観測により,プラズマコラム周辺領
域で Blob が発生し,径方向に輸送されている様子が捉えら
れている[37].
第3章で述べられているようにトカマク装置における
Blob 伝搬は,grad-!効果によると考えられている[31].一
方直線型ダイバータ模擬実験装置においては,プラズマ回
転に伴う遠心力や荷電交換による径方向への中性粒子流
(Neutral Wind)による摩擦力などが Blob 伝搬の原因とし
て考えられている[38].
6.
4 プラズマ−対向材相互作用研究
ダイバータ模擬実験装置では,定常高密度プラズマの照
射によるプラズマ対向材料の照射損傷研究がこれまで行わ
れ,数多くの研究成果があげられてきた.近年プラズマ対
向材料として,高融点金属(特にタングステン)が,高い
スパッタリング閾値エネルギーや低い水素同位体吸蔵特性
により注目されている.これまでスパッタリング閾値エネ
ルギー以下のイオン照射では,タングステンの損傷は起こ
らないと考えられてきた.しかし,ダイバータ模擬実験装
Fig. 4
Evolution of the ion saturation current at P2 (midstream)
and P3 (downstream), normalized to P1 (upstream), as a
function of neutral pressure for (a) He, (b) H2, (c) CH4
and (d) C2H6 puffing series. The values of p1/e denote the
e-folding pressures in mTorr. Note that the pressure scale
of (c) and (d) is expanded compared with that of (a) and (b).
置での高密度ヘリウムならびに水素プラズマ照射実験にお
タ板へのイオン粒子束の増加に対してのダイバータ板前面
ネルギーのイオンビームを用いた研究でも同様な現象が観
においてプラズマからの発光強度が減少する Inverse ELM
測されており,タングステンでのバブル・ブリスター形成
現象[31]が観測され,衝突輻射モデルによる計算との比較
機構の解明が重要な課題となっている.Fig. 5は,高密度ヘ
により Inverse ELM 現象が再結合プラズマから電離プラズ
リウムプラズマに照射されたタングステンの走査型電子顕
マへの遷移によるものであることが示された.また,TPD
微鏡写真を示している.スパッタリング閾値以下のヘリウ
-II 装置においては,閉ダイバータ構造を模擬した実験が行
ムイオンエネルギー(30 eV)での照射にもかかわらず,タ
われ,非接触プラズマの電離フロント位置が自励振動する
ングステン中に多くのバブルが形成され,それに伴いタン
という興味深い現象が観測されている[32].
グステン表面には多くの穴が開いていることがわかる.こ
いて,スパッタリング閾値エネルギー以下のイオン照射に
おいてもタングステン表面に円形上の膨らみ(ブリスター)
やタングステン中に気泡(バブル)が発生することが実験
的に明らかになり,大きな話題となっている[39-42].低エ
のバブル・ブリスター形成はタングステン表面温度に大き
6.
3 バースト的揺動と非拡散的輸送現象
く依存しており,水素プラズマ照射では 950 K 以下の温度
第3章でも述べられているように,小さなプラズマの塊
でブリスターが形成され,ヘリウムプラズマ照射では1,400
(Blob)が磁力線を横切って輸送される非拡散的輸送現象
K 以上の温度でバブル形成が顕著になることが報告され
が,核融合周辺プラズマにおいて重要な研究課題になって
ている.現在のトカマク装置への高 Z 材料導入実験(第7
いる[33].トカマク周辺プラズマでは,Blob 伝搬を示唆す
章を参照)の実験条件では,上記のような顕著なバブル・
るバースト的な密度揺動が観測されている.またダイバー
ブリスター形成は観測されていない.しかし長時間核燃焼
タ模擬実験装置の周辺領域においても,同様なバースト的
プラズマでは,周辺のヘリウム密度の増大や対向材料表面
な密度揺動が観測されており,Blob 伝搬は磁場閉じ込め方
温度の上昇により,特にヘリウムバブルの発生が懸念され
式に依存しない普遍的な現象ではないかと考えられてい
る.
214
Special Topic Article
Recent Results in Divertor Plasma Simulators
Fig. 6
N. Ohno
Troidal Divertor Plasma Simulator.
冷却に関連して,輻射輸送を考慮した放射損失過程や再結
合過程などに関連した原子・分子過程に関する研究も重要
である.
ダイバータ模擬実験装置を用いた研究を発展させるため
に,現在名古屋大学では高熱流トロイダルダイバータ模擬
試験装置の開発が行われている(Fig. 6).この装置は,トロ
イダル磁場と垂直磁場の組み合わせにより螺旋状の長い磁
力線接続を実現することができる.今後,長い磁力線下で
の沿磁力線方向のプラズマ輸送や非接触プラズマの発生,
トロイダル効果による Blob 的なプラズマ輸送現象の解明,
さらに磁力線が浅い角度で壁へ流入する場合のプラズマ−
Fig. 5
対向壁相互作用の研究などをおこなう予定である.
SEM Photograph of tungsten exposed by helium plasma;
(a) surface, (b) cross section.
ダイバータ模擬研究では,核融合周辺プラズマ研究の重
要課題を如何に切り出して,研究テーマとして設定するか
が重要である.課題の適切な設定により,多くのプラズマ
また,核融合装置中での微粒子発生が,不純物発生や安
生成装置はダイバータ模擬実験装置としての研究を展開す
全上の問題(トリチウム吸蔵など)の観点から重要視され
ることが可能である.このためには大型核融合装置,シ
てきている.しかし核融合装置中での微粒子の発生機構は
ミュレーション,原子・分子過程などの関連研究者間の連
明らかではなく,現在ダイバータ模擬実験装置などを用い
携と議論が不可欠である.このような活動が大学における
た炭素系微粒子形成に関する実験が行われている.
核融合研究を行う上で重要であることを指摘し,本稿の結
びとしたい.
6.
5 おわりに
謝辞
ダイバータ模擬実験装置での最近の研究成果の概要を紹
本稿をまとめるにあたり,清水勝宏博士,滝塚知典博士,
介した.今後,ITER 等の次期核融合装置で想定される長
時間放電下での高熱流・高粒子束プラズマと対向壁相互作
門信一郎博士,高村秀一博士には貴重なコメントをいただ
用研究が重要であると考えられる.特に長時間放電は,短
きました.また,西島大輔博士の博士論文を参考にさせて
時間放電の積算では必ずしも模擬しえない場合がある.例
いただきました[43].ここに感謝いたします.
えば先に述べたダスト発生については,プロセスプラズマ
中では放電のパルス化により同じ放電積算時間でも定常プ
参考文献
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マではすくないようである.また,ELM やディスラプショ
ン発生にともなうパルス的プラズマ熱流の対向材への流入
過程も重要である.特に6.
4節で述べたブリスターやバブ
ルが発生した材料では,局所的に熱伝導が著しく悪化して
いる可能性があり,パルス的プラズマ熱流により局所的に
対向材表面温度が上昇し,ホットスポットの形成や材料の
溶融が考えられる.また,非接触プラズマ形成やプラズマ
215
Journal of Plasma and Fusion Research Vol.80, No.3 March 2004
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216
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